減量提質(zhì)背景下的城市空間監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

王 淼 楊伯鋼 楊旭東 崔亞君 吳 霜

(1.北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院, 北京 100038; 2.城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038)

0 引言

《北京城市總體規(guī)劃(2016—2035年)》明確指出要以資源環(huán)境承載能力為硬約束,切實(shí)減重減負(fù),明確人口、建設(shè)用地、建筑規(guī)模管控目標(biāo),實(shí)施人口規(guī)模、建設(shè)規(guī)模雙控,倒逼發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)、城市功能優(yōu)化調(diào)整,是全國(guó)第一個(gè)減量發(fā)展規(guī)劃[1]。減量提質(zhì)是城市發(fā)展到一定階段后的必然要求,是從首都發(fā)展的階段特征把握減量發(fā)展的基本要求,是以減量發(fā)展為北京實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量發(fā)展騰挪出空間。減量發(fā)展不是不要發(fā)展,而通過(guò)解決當(dāng)前的突出矛盾和問(wèn)題,減少低效高耗的建設(shè)來(lái)讓城市得到更好的、高質(zhì)量的發(fā)展[2]。

在城市建設(shè)、管理過(guò)程中,由于城市體量大、關(guān)注度高,房?jī)r(jià)猛漲、交通擁堵、水資源短缺、環(huán)境污染等城市病問(wèn)題越來(lái)越突出[3],支撐城市治理和規(guī)劃建設(shè)的數(shù)據(jù)類型不夠豐富、針對(duì)性不強(qiáng),無(wú)法滿足特大城市高質(zhì)量發(fā)展需求;在城市減量提質(zhì)發(fā)展的過(guò)程中,城市空間數(shù)據(jù)挖掘、知識(shí)服務(wù)不足,急需對(duì)高質(zhì)量發(fā)展的分析模型算法不斷創(chuàng)新,解決城市減量提質(zhì)、資源優(yōu)化配置等問(wèn)題;城市更新不斷加快,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)、生產(chǎn)周期和產(chǎn)品類型無(wú)法滿足高質(zhì)量發(fā)展的需求,需建立與之相適應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)模式、更新周期和產(chǎn)品模式。迫切需要開(kāi)展全面的城市空間監(jiān)測(cè),及時(shí)獲取城市治理所需要的各類空間數(shù)據(jù),并進(jìn)行深入的統(tǒng)計(jì)分析,來(lái)支撐城市病治理,服務(wù)城市減量提質(zhì)發(fā)展[4]。本文以北京市為例,進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 方案設(shè)計(jì)

本文以城市減量提質(zhì)發(fā)展和城市病治理為目標(biāo),面向城市空間信息管理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)需要,以城市空間監(jiān)測(cè)技術(shù)方法研發(fā)為內(nèi)容,以服務(wù)政府決策為重點(diǎn),以提高生態(tài)管理水平為目的,創(chuàng)建城市空間監(jiān)測(cè)理論和技術(shù)體系,形成覆蓋城市空間內(nèi)容指標(biāo)、信息采集、處理、存儲(chǔ)、分析、應(yīng)用的一整套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、技術(shù)工藝、模型方法、系列軟件等,提供城市空間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和成果挖掘、展示解決方案[5],為人地房、山水林田湖草生命共同體的構(gòu)筑提供有力保障。

1.1 總體設(shè)計(jì)與城市空間管理、城市治理、城市規(guī)劃需求緊密結(jié)合

面向城市減量提質(zhì)需要,服務(wù)自然資源管理、城市病治理、城市規(guī)劃建設(shè)和精細(xì)化管理,從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、關(guān)鍵技術(shù)、裝備算法、分析模型、工藝流程、應(yīng)用服務(wù)等方面開(kāi)展研究,構(gòu)建一整套城市空間信息監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)體系。

1.2 構(gòu)建了“4個(gè)技術(shù)體系+1個(gè)空間服務(wù)平臺(tái)+1套服務(wù)應(yīng)用模式”監(jiān)測(cè)框架[6]

城市空間信息監(jiān)測(cè)內(nèi)容與指標(biāo)體系,數(shù)據(jù)快速獲取、自動(dòng)化處理、智能化分析、泛在化服務(wù)的監(jiān)測(cè)技術(shù)體系,統(tǒng)計(jì)分析體系,標(biāo)準(zhǔn)體系,系列時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)及平臺(tái),應(yīng)用服務(wù)模式,支撐城市空間信息監(jiān)測(cè)工作順利開(kāi)展和城市治理應(yīng)用,如圖1所示。

圖1 城市空間監(jiān)測(cè)技術(shù)框架圖

1.3 創(chuàng)建并實(shí)現(xiàn)了“年-半年-季-月-周-日”的城市空間信息動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模式

按需監(jiān)測(cè),定期評(píng)估,動(dòng)態(tài)調(diào)整,成功開(kāi)展了城市環(huán)境、核心區(qū)街景、建設(shè)用地、生態(tài)功能、重點(diǎn)要素和專項(xiàng)要素的監(jiān)測(cè)，如圖2所示。

圖2 城市空間信息動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模式

1.4 注重監(jiān)測(cè)成果應(yīng)用服務(wù)

成果在北京得到了重點(diǎn)應(yīng)用,在京津冀城市群得到了典型應(yīng)用,在全國(guó)典型地級(jí)城市、開(kāi)發(fā)區(qū)得到了推廣應(yīng)用。為住建、發(fā)改、規(guī)劃、國(guó)土、交通、園林綠化、水務(wù)、城管、統(tǒng)計(jì)、農(nóng)業(yè)等100余個(gè)企事業(yè)單位提供服務(wù)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 內(nèi)容指標(biāo)構(gòu)建

結(jié)合場(chǎng)模型、實(shí)體模型與網(wǎng)絡(luò)模型等理論與方法,將地表形態(tài)和地表覆蓋分類信息作為連續(xù)變量的場(chǎng)模型進(jìn)行分類,以表達(dá)地表的連續(xù)起伏和地表覆蓋物的物理組成,實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)內(nèi)容的全覆蓋、無(wú)縫隙;將水系、公路、城市道路和鐵路等組織成有向圖拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),建立了水系與水工構(gòu)筑物、道路與道路構(gòu)筑物的關(guān)系模型,反映了現(xiàn)實(shí)世界中常見(jiàn)的多對(duì)多關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)成果的網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化;采用面向?qū)嶓w對(duì)象的思想以及回歸樹(shù)分類模型(Classification Regression Tree,CRT)對(duì)城市空間監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行分類,融合形成一套編碼體系;面向城市規(guī)劃管理和“城市病”治理,重點(diǎn)突出了房屋、用地、交通、水務(wù)、生態(tài)環(huán)境等城市內(nèi)容與指標(biāo),實(shí)現(xiàn)了城市管理的精細(xì)化、精準(zhǔn)化。

2.2 監(jiān)測(cè)技術(shù)創(chuàng)新[7]

提出了基于高分辨率影像的區(qū)域自適應(yīng)耕地提取技術(shù),開(kāi)發(fā)面向最優(yōu)屬性特征空間的模糊分類算法,實(shí)現(xiàn)基于耕地樣本集和模糊分類算法相結(jié)合的耕地對(duì)象自動(dòng)識(shí)別,提高了高分辨率衛(wèi)星影像的分割對(duì)象的均質(zhì)性;研制了基于安卓移動(dòng)端的多頻多星外業(yè)調(diào)繪設(shè)備以及內(nèi)外業(yè)一體化系統(tǒng)平臺(tái),集成了地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)、遙感(Remote Sensing,RS)、數(shù)據(jù)安全等多項(xiàng)技術(shù),具有調(diào)繪、拍照、圖形展現(xiàn)與導(dǎo)航等功能,且無(wú)比例尺的限制,準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速地支撐外業(yè)調(diào)繪作業(yè);研發(fā)了基于部件聚合技術(shù)和規(guī)則庫(kù)技術(shù)的自動(dòng)檢查軟件,實(shí)現(xiàn)質(zhì)檢對(duì)象、質(zhì)檢規(guī)則、質(zhì)檢結(jié)果之間的配置關(guān)系的自主定制和擴(kuò)展。

2.3 深入統(tǒng)計(jì)分析[8]

疊加多種要素,利用緩沖區(qū)、鄰域、聚類、網(wǎng)絡(luò)、空間相關(guān)性、關(guān)聯(lián)分析等典型地理模型進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析,反映城市空間要素之間的空間關(guān)系和差異特性。疊加經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù),利用基本公共服務(wù)均等化、職住平衡、環(huán)境脆弱性、景觀格局、城市積水風(fēng)險(xiǎn)、地表徑流等專業(yè)模型進(jìn)行專題評(píng)價(jià),反映國(guó)土資源布局、生態(tài)協(xié)調(diào)程度、區(qū)域發(fā)展?fàn)顩r和社會(huì)事業(yè)發(fā)展水平。提出一種有效計(jì)算城市公共設(shè)施覆蓋輻射指數(shù)的方法,利用服務(wù)點(diǎn)要素類和起點(diǎn)-目的地(Origin-Destination,OD)成本矩陣線圖層之間的關(guān)系來(lái)計(jì)算服務(wù)點(diǎn)的服務(wù)供應(yīng)量和居民需求量之間的比值。在此基礎(chǔ)上，找出每個(gè)居民點(diǎn)對(duì)應(yīng)的所有服務(wù)點(diǎn),按居民地位置匯總服務(wù)供應(yīng)量和居民需求量的比值數(shù)據(jù),繼而獲得公共設(shè)施對(duì)所有居民的輻射覆蓋指數(shù)結(jié)果。

2.4 廣泛應(yīng)用服務(wù)

在城市空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,疊加房屋建筑、人口普查、經(jīng)濟(jì)普查、土地利用現(xiàn)狀、林業(yè)普查、城市規(guī)劃等100余類專題數(shù)據(jù)資料,融合手機(jī)信令、IC卡出行鏈、車租車、共享單車和物聯(lián)網(wǎng)傳感器等社會(huì)感知?jiǎng)討B(tài)監(jiān)測(cè)數(shù),構(gòu)建了多源異構(gòu)的城市空間時(shí)空大數(shù)據(jù)庫(kù);將城市空間監(jiān)測(cè)的行政區(qū)劃、地理格網(wǎng)、居住小區(qū)、單位院落數(shù)據(jù)與上億條的社會(huì)感知數(shù)據(jù)融合,研發(fā)了時(shí)空大數(shù)據(jù)的挖掘提取、模擬空間化、可視化技術(shù),對(duì)核心區(qū)、中央商務(wù)區(qū)(CBD)、副中心等重點(diǎn)功能區(qū)進(jìn)行了職住平衡、通勤出行OD模型流向分析、軌道交通流向流量分析,研究了城市居住人口及工作人口分布規(guī)律、功能區(qū)的空間向心吸引力,不同軌道線路、不同環(huán)路和不同方向的出行高峰和流向。

3 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

(1)創(chuàng)建了全覆蓋、無(wú)縫隙、內(nèi)容全、指標(biāo)細(xì)、可銜接的“1+1+N”城市空間監(jiān)測(cè)內(nèi)容與指標(biāo)體系,首次實(shí)現(xiàn)了“人-地-房”城市核心資源的一體化建模,首次將建筑規(guī)模指標(biāo)納入首都城市總體規(guī)劃和控制性規(guī)劃。

研發(fā)了面向?qū)嶓w對(duì)象的CRT回歸樹(shù)分類模型,提出了一套“4位分類碼+1位標(biāo)識(shí)碼”的編碼體系;突破了高精度復(fù)雜地形城市地表連續(xù)形態(tài)數(shù)據(jù)建模,最小格網(wǎng)達(dá)2 m;對(duì)于城市重點(diǎn)土地利用現(xiàn)狀類型細(xì)化了57個(gè)標(biāo)識(shí)類,細(xì)化率達(dá)89.1%;增加了規(guī)劃道路、單體建筑、無(wú)障礙設(shè)施等城市重點(diǎn)要素,細(xì)化了3個(gè)二級(jí)、29個(gè)三級(jí)類,擴(kuò)展了57個(gè)四級(jí)類。既滿足了國(guó)家監(jiān)測(cè)要求,又重點(diǎn)服務(wù)城市病治理和城市精細(xì)化管理需求。

(2)構(gòu)建了全流程、多種類、立體化的城市空間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)快速獲取、自動(dòng)化處理、模塊化質(zhì)檢、快速可視化的技術(shù)體系[9]。

研發(fā)了分類決策樹(shù)(Classification Decision Tree,CDT)遙感影像分類系統(tǒng),突破了多項(xiàng)基于高分辨率遙感影像的城市典型要素提取關(guān)鍵技術(shù),提高了解譯精度和效率50%以上;發(fā)明了基于高分辨率影像的區(qū)域自適應(yīng)耕地提取方法,提高了分割對(duì)象的均質(zhì)性,分類精度提高20%;研發(fā)一套基于視頻圖像的土地資源利用變化識(shí)別方法,重點(diǎn)對(duì)城市綠地、建設(shè)用地、疑似違法建筑、城市開(kāi)發(fā)邊界等城市地表信息快速檢測(cè),比人機(jī)交互發(fā)現(xiàn)變化效率提高85%以上;創(chuàng)建了一種詞向量的地址語(yǔ)義匹配模型,地址匹配精度達(dá)0.97;提出一種大區(qū)域柵格數(shù)字高程模型的地表表面面積計(jì)算模型,解決了計(jì)算大數(shù)據(jù)量數(shù)字高程模型表面面積計(jì)算機(jī)內(nèi)存不足以及計(jì)算精度不夠的問(wèn)題。大幅提升了城市空間信息解譯、變化發(fā)現(xiàn)和成果服務(wù)的精度和效率。

(3)構(gòu)建了“基本匯總-綜合統(tǒng)計(jì)-專題評(píng)價(jià)”城市空間監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)體系。

率先建立了200余個(gè)面向城市空間評(píng)價(jià)分析的基本、綜合和專題統(tǒng)計(jì)分析模型指標(biāo)庫(kù);構(gòu)建了面向城市的城市建設(shè)指數(shù)、城市宜居指數(shù)、城市更新指數(shù)、無(wú)障礙設(shè)施評(píng)價(jià)指數(shù)、治理指數(shù)、城市形態(tài)結(jié)構(gòu)等6套城市空間評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;提出了一種基于街景圖像分割和提取的街道視覺(jué)可步性指數(shù)(Visual Walkability Index,VWI),實(shí)現(xiàn)了街道視覺(jué)可步性測(cè)度;發(fā)明了一種服務(wù)點(diǎn)要素類和OD成本矩陣線關(guān)系的城市公共設(shè)施覆蓋輻射指數(shù),有效計(jì)算公共設(shè)施對(duì)居民的輻射覆蓋程度;提出了一種耦合手機(jī)信令、實(shí)時(shí)交通等大數(shù)據(jù)的城市職居空間匹配指數(shù)(Space Matching Index,SMI),有效測(cè)度城市職居空間平衡程度;提出了面向資源配置與人口疏解耦合、人口疏解效果分析的綜合評(píng)價(jià)模型及指數(shù),探索“人-地-房”一體化的時(shí)空模式測(cè)度。

(4)創(chuàng)建了13個(gè)應(yīng)用軟件、10類產(chǎn)品和6種服務(wù)模式的城市空間監(jiān)測(cè)應(yīng)用體系。

提出并實(shí)現(xiàn)了“年-半年-季-月-周-日”的城市空間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模式,研發(fā)了包含13個(gè)軟件系統(tǒng)的城市空間信息平臺(tái),提出了10種監(jiān)測(cè)成果的城市空間產(chǎn)品體系,提出了6種應(yīng)用層面的城市空間信息服務(wù)方式,在國(guó)內(nèi)率先提出并實(shí)踐了“市-區(qū)-街-社區(qū)”四級(jí)城市體檢,建立了按需監(jiān)測(cè)、定期評(píng)估、動(dòng)態(tài)調(diào)整的城市空間監(jiān)測(cè)體系[10],建成了城市空間監(jiān)測(cè)一張圖和軟件平臺(tái),為城市空間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)提供了目標(biāo)框架、理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，如圖3所示。

圖3 空間數(shù)據(jù)共享與協(xié)同審批系統(tǒng)

4 結(jié)束語(yǔ)

從空間的視角,通過(guò)對(duì)城市空間監(jiān)測(cè)的內(nèi)容指標(biāo)、監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法、統(tǒng)計(jì)分析、監(jiān)測(cè)模式、產(chǎn)品模式等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究與應(yīng)用,為城市減量提質(zhì)、空間開(kāi)發(fā)利用、城市各類設(shè)施設(shè)置提供基礎(chǔ)性的量化支撐,為城市治理和規(guī)劃建設(shè)提供翔實(shí)、準(zhǔn)確、現(xiàn)勢(shì)的空間數(shù)據(jù),為領(lǐng)導(dǎo)領(lǐng)導(dǎo)決策和重點(diǎn)工程提供保障和參考,取得了一定的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。隨著實(shí)景三維、高精度室內(nèi)定位、5G、知識(shí)圖譜等新技術(shù)不斷成熟,下一步將繼續(xù)深化更大尺度、更精細(xì)化、更短周期、更加智能化的城市空間監(jiān)測(cè)研究應(yīng)用,加強(qiáng)對(duì)人的行為活動(dòng)、社會(huì)運(yùn)行、思想輿情等的觀測(cè)與應(yīng)用分析,開(kāi)展建筑密度、人口密度、商業(yè)密度、旅游密度等4個(gè)密度的監(jiān)測(cè)與分析應(yīng)用,進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)首都減量提質(zhì)發(fā)展的支撐[11]。